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桥梁结构非线性地震反应研究(支座摩擦·限位装置·基础非线性)

王常峰  
【摘要】: 桥梁非线性地震反应研究对于提高桥梁结构抗震分析、设计水平具有重要的意义。强震作用下,桥梁结构可能发生不同部位的破坏,相应地非线性地震反应分析方法和模型也不同。受各种非线性的影响,精确分析桥梁结构的地震响应是非常复杂的,一般利用合理的简化分析模型进行分析。本文在继承和发展国内外研究成果的基础上,针对强震下桥梁结构中存在的非线性问题、非线性地震反应分析方法、非线性有限单元及非线性有限元模型进行了研究,并对各种非线性特性对桥梁整体抗震性能的影响进行了参数分析,主要研究内容如下: (1)总结了桥梁结构的非线性计算模型、材料的常用本构关系、非线性动力方程及其求解方法,介绍了弹塑性梁单元的三种不同模型及考虑塑性铰长度的弹塑性梁单元的单元柔度矩阵,介绍了钢筋混凝土桥墩常用的弯矩-曲率滞回模型。编写了截面弯矩-曲率关系的全过程分析程序,并介绍了弯矩-曲率关系曲线的线性化方法。 (2)建立了可以考虑支座水平摩擦和竖向地震动作用的接触摩擦单元,并利用接触摩擦单元建立了连续梁全桥模型。分别针对普通固定支座桥梁和滑动隔震支座桥梁,分析了滑动支座摩擦力及竖向地震动对桥梁结构地震反应的影响。并对支座的摩擦系数、初始刚度对不同桥梁结构的地震反应影响进行了参数分析。根据分析结果,给出了需要考虑活动支座摩擦力和竖向地震动影响的建议。 (3)提出了可以综合考虑活动支座摩擦非线性和限位装置接触及材料非线性的有限单元的刚度及滞回曲线。建立了可以综合考虑支座非线性、限位装置接触及材料非线性、墩身弹塑性的桥梁结构有限元模型。对限位装置的初始刚度及初始间隙对桥梁结构地震反应的影响进行了研究,并对活动支座摩擦力、限位装置、桥墩弹塑性各种非线性之间的相互影响进行了综合分析,探讨了可以降低固定墩地震反应的有效措施。 (4)改进了无拉力非线性Winkler地基弹簧的有限元模型,给出了其滞回规律,主要改进点为该无拉力土弹簧可以同时考虑桩双侧土的接触及材料非线性,可以模拟地震中往复振动下桩和土之间产生的裂缝。在总结目前桩基础桥梁的抗震计算模型的基础上,提出了改进的桩基础桥梁的非线性抗震分析计算模型,主要改进点是基础部分综合考虑了桩侧土的水平接触及材料非线性作用、土与桩基础间的竖向非线性摩擦作用、桩尖土的非线性压入和提离作用,并可以考虑墩与桩的弹塑性。对该非线性分析模型进行了循环荷载下的静力推倒分析,并通过与静力推倒试验结果的对比验证了此模型的合理性。 (5)以实际工程为背景,建立了桩基础桥墩分布弹簧非线性分析的有限元模型,探讨了该模型时程反应分析的可行性。根据时程分析结果,分析了地基非线性对桥墩和桩弹塑性地震反应的影响。时程分析结果表明,承台底水平剪力-水平位移、承台底弯矩-转角曲线呈纺锤状。利用实例验证了利用Clough集中支撑弹簧模型来模拟桩-土相互作用对桥梁上部结构地震反应影响的可行性,并建议了利用静力推倒分析骨架曲线进行简化分析模型参数取值的计算方法。 (6)对于在地震中薄弱环节不明显、各构件均有可能出现破坏的混合破坏型桥梁,提出了考虑桩-土-结构相互作用的桥梁结构整体非线性分析有限元模型,该模型综合考虑了支座、桥墩、桩基础、地基的非线性。通过工程实例,探讨了整体非线性模型时程分析的可行性。根据分析结果初步探讨了桥梁各部分构件之间的非线性地震反应的相互影响,、分析了不同非线性模型的墩底弯矩及曲率、承台底转角及水平位移、梁体位移等结构地震反应。


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